摘要 综述了电爆喷涂技术在材料表面制备涂层的研究进展和应用。给出了电爆喷涂技术的特点,喷涂设备的工作原理以及喷涂材料的种类;详细讨论了放电参数、喷涂材料与基体材料的几何尺寸、喷涂室气压、复合涂层等因素对涂层质量的影响;列举了电爆喷涂技术的实际应用;进一步分析了将来需要研究的问题。
关键词 电爆喷涂 涂层 涂层质量 热喷涂
0 前言
在材料表面制备涂层能够在保留基体材料原有特性的基础上,通过赋予或增强其耐磨、耐热、耐腐蚀等特性,达到扩展基体材料的应用领域和范围的目的。因而,制备涂层技术在工业应用中具有十分重要的价值和意义。
电爆喷涂技术是一种高效而少为人知的涂层制备技术,早在19世纪,法拉第(Faraday)就采用这种方法制备了很好的涂层[1]。从20世纪60年代开始,由于科学界对电爆炸丝现象更深刻的理解[2],以及实际应用的需求,电爆喷涂技术方面的研究和应用越来越多。
本文着重介绍了国内外在电爆喷涂技术的研究和应用方面的进展,并对需要继续研究的工作提出了一些见解。
1 电爆喷涂技术的研究进展
电爆喷涂是指在一定的气体介质环境下,在极短的时间内(~10Ls)向导电的喷涂材料施加脉冲高压,使之熔化、部分气化,形成等离子体,迅速膨胀并爆炸,其中部分尚未气化的液态颗粒则在爆炸产生的冲击力作用下,高速(可达到600 m/s)向周围溅射,渗透进基体材料表面,并急剧冷却形成涂层与基体材料之间具有/微焊接0过渡层的涂层[1, 3~7]。
电爆喷涂技术作为热喷涂的一种,具有如下特点:¹喷涂材料本身既是热源,又是喷涂过程中动力的来源,这也是电爆喷涂技术与其它热喷涂技术最显著的区别之处;º很容易喷涂钨、钼等高熔点材料;»喷涂过程所用时间极短,基体材料不会受热过程的影响;¼在光洁的基体表面,可以喷涂一层厚度比较均匀、粗糙度小于5Lm的光洁平滑涂层;½不仅能喷涂平面,而且也能喷涂圆筒的内表面;¾涂层的结合强度高,比火焰喷涂和等离子喷涂高数倍[1,4,8]。
由于电爆喷涂具有以上特点,使之在某些应用上拥有其它喷涂方法所无法比拟的优点,例如,在圆筒形基体材料内表面制备涂层,制备高熔点、耐磨金属涂层,在非金属表面制备导电涂层等。
1.1 喷涂设备
电爆喷涂设备的原理图如图1所示,市电经变压器升压后产生几万伏的高压交流电,半波整流后给脉冲电容器组充电,使之储存上千焦耳的能量。触发信号脉冲经脉冲变压器放大后,产生的高压触发信号使三电极气隙开关击穿,则储存在脉冲电容器组中的能量瞬时释放到喷涂材料上,完成喷涂过程。其中喷涂室是喷涂过程发生的场所,为了方便对实验参数的测量和实验现象的观测,通常喷涂室能够为喷涂过程提供真空环境,并且具有观测窗,方便观测电爆炸过程中剧烈的发热发光现象[8]。
但是,目前的电爆喷涂设备大多停留在人工操作、手动上丝的阶段,设备的自动化水平很低,极大地耗费了人力,并且很难。
1.2 喷涂材料
喷涂材料是指电爆喷涂过程中施加电能的对象。最终形成的涂层除了存在部分氧化及与基体材料之间的相互渗透外,跟喷涂材料的成分是一致的。通常用作喷涂材料的有金属丝、金属箔、导电陶瓷丝或者粉末。
最常用的喷涂材料是金属丝,特别是高熔点金属丝。这是由于电爆喷涂法能在很短的时间内使高熔点金属熔化,并快速溅射到基体材料表面,形成涂层[3,5,6,8]。
在工业应用中,具有高耐磨和防腐蚀性能的高熔点陶瓷是一种良好的喷涂材料。在20世纪90年代,日本的H. Tamura等[9]采用易碎陶瓷ZrB2丝作为喷涂材料,用以增强基体材料的耐磨和抗腐蚀性能。ZrB2具有高熔点(>3000e)、高硬度、极好的防腐蚀性能。极其重要的是,ZrB2具有类似金属材料的导电性,满足了作为电爆喷涂材料的要求。
但在实际应用中,由于陶瓷丝需要由陶瓷粉末烧结而成,工艺复杂,成品率低。H. Tamura等又采用电爆导电陶瓷粉末的方法进行喷涂,极大地简化了整个喷涂工艺[4,10,11]。工艺过程如下:把陶瓷粉末装在氧化铝管里,并置于压力为0.1 MPa的氩气气氛中,在氧化铝管两端放电,冲击大电流快速加热粉末,使之熔化。伴随圆柱形冲击波和放电通道的形成,导致管体完全破碎,熔化的陶瓷颗粒对称地向外喷射,最终在基体表面形成陶瓷涂层。经过多次喷涂以后,在基体表面形成完整的涂层。
喷涂装置如图2所示。
2000年Ordal Demokan[12]采用电爆金属箔的方法在圆筒形工件内壁制备涂层。喷涂设备采用同心电缆式结构,中间是铜棒,外面套氧化铝圆筒,圆筒周围绕有铝箔。在大冲击电流下作用,中间铜棒产生强磁场,铝箔熔化形成的熔融颗粒和金属等离子体在磁场力的作用下加速向外喷射,均匀地喷涂在基体材料的内表面上。装置示意图如图3所示。
电爆喷涂的喷涂材料相对于其它喷涂方法而言,具有多样性的特点,既有常用的金属丝,也有导电的非金属丝,还有陶瓷粉末和金属箔。但是,从国内外的发展趋势看,采用金属丝作为喷涂材料是主体,其中难熔金属、多种金属复合喷涂成为发展的新趋势。后面章节则以金属丝为喷涂材料展开讨论。
1.3 影响涂层质量的因素
在电爆喷涂过程中,施加到喷涂材料的放电能量密度,放电回路的电参数、喷涂材料的几何尺寸、喷涂材料与基体材料之间的距离、喷涂室的气压、以及喷涂不同种类的材料形成复合涂层等因素都会对涂层的质量产生影响。本文在已有研究成果的基础上,结合作者当前的研究,对影响涂层质量的因素及其原因做了分析,并就未来研究的方向给出了一些见解。
1.3.1 放电参数
电爆喷涂过程中,对于特定的喷涂材料,施加在单位体积喷涂材料的放电电能量(也即能量密度)的大小直接决定了爆炸形成的微粒大小、速度和温度。当能量密度不足时,由于微粒没有获得足够的速度和温度,形成的涂层凹凸不平,涂层与基体的结合强度较低;反过来,当能量密度过高时,尽管微粒尺寸较小,但会在涂层表面出现条纹,结合强度也低。而且放电回路的特定频率(取决于回路中的电感、电容和电阻大小)对涂层的质量也有很大的影响。
不同的金属和不同的实验条件存在不同的最优放电参数。R. Nakamura等[13]研究发现,当喷涂钨丝,能量密度在100 kJ/cm3时,涂层的硬度和结合强度较好,并且具有较高的效率;而在喷涂镍和铬,能量密度大于55 kJ/cm3时,涂层中的微孔数目会随能量密度的增大而减少。涂层的硬度和结合强度都随着能量密度在一定范围能的增加而增大,并且都可以达到一个最大值,当达到这个最大值后,再增加能量密度就会降低涂层的硬度和结合强度。
笔者在当前的研究中发现,当改变放电回路中的电感和放电电压时,喷涂效果随之改变。较低的电感量,较高的电压,制备的涂层会比较均匀。这是由于在电感较小时,放电回路的特征频率较低,意味着能加快放电速度;而且电压较高,可用于放电的能量更多,在较短的时间内有更多的能量沉积到金属丝中,使爆炸更加剧烈,产生的微粒的飞行速度更快,微粒平均直径更小。因而,涂层与基体材料的结合强度增加,涂层更加均匀。
但在基体材料为易碎的非金属材料,如玻璃管[8],且放电电压加大到一定程度时,基体材料会在爆炸产生的强冲击波作用下破碎。
1.3.2 喷涂材料和基体材料的几何尺寸
喷涂材料的几何尺寸,即金属丝的长度和直径决定了金属丝初始电阻的大小。电阻的大小会影响通过金属丝的电流的上升时间和大小,而金属丝的直径和电流的大小决定着电流密度的大小。由前面章节的分析可知,通过金属丝能量密度的大小对制备的涂层质量影响很大。基体材料的形状和尺寸,以及与金属丝的距离影响到高速飞行的金属微粒与其碰撞时的速度快慢、方向和碰撞角度,这对于涂层与基体材料的结合强度以及涂层均匀性有直接影响。
在喷涂材料和基体材料的几何尺寸对喷涂质量的影响方面,国外研究人员进行了有效的探讨。K. Tokumoto等[14,15]研究了喷涂钼和WC-6.5%Co复合涂层时喷涂距离与金属丝直径之比的最优值。当喷涂距离与金属丝直径之比为30~40时,制备的复合涂层具有较高的硬度和结合强度,当喷涂距离与金属丝直径之比大于50时,涂层的硬度和结合强度都有减小的趋势。Valentinas Snitka等[16,17]在用电爆喷涂技术制备ZnO涂层时发现,减小金属丝与基体材料之间的距离能够增加涂层密度和一致性。在国内,中国工程物理研究院的杨宇等[18]通过实验研究表明,较细的金属丝在爆炸时能量沉积更快,爆炸更加充分。
由此可见,金属丝的长度和直径都是极为重要的参数,合理选择喷涂用金属丝的尺寸是制备质量良好涂层的必要条件之一,定量化的研究是将来必须要做的工作。
1.3.3 喷涂室气压
喷涂室的气压条件对涂层的质量也有很大的影响。当金属丝被迅速加热,超过其沸点以后,金属丝沿着径向从表到里迅速气化(集肤效应),产生文献中所谓的/气化波0[19]。但此时金属丝的体积却难以迅速膨胀,这是由于金属丝的惯性,以及在大电流下产生的箍缩力、气压共同作用下的结果。所以,当改变喷涂室气压时,会对金属丝体积膨胀的快慢和激烈程度产生影响,进而影响到能量的沉积和爆炸产生的微粒的数量及其飞行速度,从而影响到涂层质量。
国内外在低气压下喷涂方面的研究认为,较低的气压有助于涂层质量的提高。S. Fukuda等[20]在实验后得出结论:低气压下喷涂能够给予涂层较少的氧化和减少涂层表面的微孔,从而增加涂层的结合强度和硬度,而且低气压下涂层和基体材料之间的结合层厚度会增加,这也是涂层具有良好机械特性的原因。
气压降低有助于提高涂层质量,然而并不意味着无限制的降低。W. Jiang等[21]在研究中发现,当在真空下(~1.33*10-4Pa)制备涂层,气压越低,所形成的平均液态颗粒越小,所以在低气压下喷涂有利于形成更致密的涂层,但同时也存在一个最低气压,当低于此气压时,就会在金属丝表面发生放电,从而使金属丝不能被有效加热,影响到涂层质量。
1.3.4 复合涂层
复合涂层是指不同的喷涂材料,经过特定的搭配后多次喷涂所形成的涂层。复合涂层集不同材料涂层的优异性能于一身,能够满足特殊条件下对材料的苛刻要求。而且电爆喷涂技术能够很方便地制备复合涂层。
国外用电爆喷涂制备复合涂层的研究主要集中在日本。T. Matsubara等[22]研究了采用电爆喷涂法制备的银和马氏体不锈钢SUS440C的复合涂层在真空和太空环境中的耐磨性能。M. Nakayama等[23]采用此方法制备了N-i P与SUS304的复合涂层,结果表明,复合涂层同时具有N-i P的高硬度和SUS304的柔韧性,且具有较高的耐磨性和结合强度。在国内,华北电力大学在电爆喷涂制备复合涂层方面做了细致的研究,蒲泽林等[24,25]采用电爆喷涂法制备stellite/WC和NiCr/ WC-17% Co复合涂层,对复合涂层进行了显微组织观测,并测量了涂层的硬度和模量,结果表明,涂层致密,硬度较高,体现了复合涂层的特性。
可见,复合涂层相对于单一涂层具有更优异的性能,在一些需要材料具有较高耐磨强度和韧性的领域有较大的用武之地,是电爆喷涂在制备涂层方面的发展趋势之一。
2 电爆喷涂的应用领域
由于电爆喷涂技术相对于其它喷涂技术具有诸多优点,其应用也很广泛,主要集中在铝合金汽缸内壁的耐磨涂层,转矩传感器上的非晶薄膜、玻璃等非金属表面的导电涂层、喷嘴等工件内壁的耐高温高压涂层等方面。
2.1 铝合金汽缸的耐磨涂层
电爆喷涂技术最早投入实际应用是用于在内燃机汽缸内壁制备耐磨层,20世纪70年代,电爆喷涂用于铝合金内燃机汽缸内壁制备耐磨涂层已经进入了实际应用阶段。日本的T. Su-hara等[26]介绍了Kawasaki重工业公司和Honda研发公司采用电爆喷涂技术在铝合金发动机汽缸内壁制备出钼和其他低价材料涂层来有效提高发动机的耐磨性和散热性能。制备的涂层具有散热性能好、重量轻、耐磨性好、油耗率低等优点,同时具备大量生产的可能。国内的邱复兴等[27]介绍了在汽缸内壁喷涂钼及其合金的方法,例如火焰喷涂、等离子喷涂和电爆喷涂,比较了它们的优缺点,并认为电爆喷涂制备的涂层结合强度高,氧化少,而且便于在汽缸内壁制备涂层。
由于电爆喷涂在圆筒型基体材料内壁制备涂层方面的巨大优势,以及易于喷涂难熔金属和复合涂层,相信其能在汽缸内壁制备耐磨层的应用中发挥更大的作用。
2.2 转矩传感器的非晶磁致伸缩薄膜
非晶磁致伸缩材料转矩传感器通常是用粘接剂把非晶薄带粘接到轴的外表面,难以在恶劣环境下长期工作。为了解决这个难题,J. Yamasaki等[28]首先采用电爆喷涂Ni、Fe-Ni、Fe-Co-Ni丝的方法在杆状不锈钢表面喷涂高结合强度的磁致伸缩层,用作非接触式的转矩传感器。测试结果表明当电流和电压变化时,转矩传感器的输出特性具有非常好的线性度,结合多谐振荡器桥电路使用时,磁滞现象几乎为零。国内的吴安国[29]介绍了电爆喷涂制备的薄膜用作转矩传感器以及制备薄膜的工艺过程。电爆喷涂制备的非晶涂层具有较高的附着力,能够满足在苛刻环境下长时期工作的要求,而且此方法制作的转矩传感器的E-R特性线性度良好。
加强对电爆喷涂制备涂层微观属性的研究,能够更好地理解非晶涂层的形成机理及特点,有助于在特定领域发挥更大的作用。
2.3 其它应用
电爆喷涂还应用在其它领域。如H. Grabatin等[30]用电爆喷涂的方法在高压喷嘴内壁制备耐高温高压的钽和铌涂层,结果表明,电爆喷涂制备喷嘴内壁耐热耐压涂层是一种成功的应用,钽涂层增强了喷嘴的耐热耐压性能,延长了喷嘴的使用寿命;M. Nakayama等[31]采用电爆喷涂技术制备合金丝,并用制备的合金丝来制备非晶涂层;Juozas Padgurskas等[32]采用此方法制备低摩擦系数涂层;国内的浦泽林等[33]采用此方法在中碳钢表面制备合金涂层,用以增强其耐腐蚀性;马忠云等[34]应用电爆喷涂技术为锅炉上的易损部件作耐磨处理;杨家志等[8]采用电爆喷涂法在玻璃表面制备出导电涂层,涂层的结合强度比电镀、化学镀等方法稍高;魏世丞等[35,36]把电爆喷涂应用于45G钢上制备抗高温腐蚀涂层。
随着社会的进步发展,会有更多的领域对材料表面的性能提出更高的要求,电爆喷涂技术也将有更广的应用领域。
3 对未来研究的一些思考
目前,在电爆喷涂制备涂层的机理方面已经有了较多的研究,而且已经在某些场合实现了成功的应用。对将来的研究工作有以下思考:
(1)以前的研究认为电参数及气压条件影响到喷涂材料爆炸产生颗粒的大小,但是对颗粒粒径的分布情况、颗粒大小对涂层均匀度的影响等缺少研究。
(2)对涂层的性质缺少或是没有研究,如金属涂层是否氧化,氧化程度;涂层是否全部或部分是非晶结构;多次喷涂后涂层与涂层之间的结合方式。
(3)以前的应用多是在金属表面制备涂层,但是对非金属(如玻璃、陶瓷等)表面缺少研究。
(4)喷涂设备的自动化水平较低,制约了电爆喷涂技术的大规模应用。
4 结语
电爆喷涂技术用于材料表面制备涂层的研究和应用已经取得了一定的进展,日本在这方面的研究较多,而且已经有工业上的应用。近年来,国内也出现了较多的研究,并且部分进入实用阶段。
尽管如此,由于对电爆炸现象的机理和动力学过程并没有完全认识清楚,而且对涂层质量的影响因素缺乏总体上的认识,对涂层的性质和非金属表面的喷涂缺少研究,所以在电爆喷涂的理论方面还需要深入的研究。提高喷涂设备的自动化水平,发掘更多的潜在应用,相信电爆喷涂技术在材料表面制备涂层具有广阔的应用前景。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
